Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электродинамика и распространение радиоволн. Учебное пособие
.pdf
ЧАСТЬ 2
РАСПРОСТРАНЕНИЕ
РАДИОВОЛН
11 Распространение радиоволн
в свободном пространстве
11.1 Классификация радиоволн
по диапазонам
Радиоволнами принято называть электромагнитные волны в
3
диапазоне частот 310
гигагерц.
Мы рассмотрим вопросы, связанные с процессами свободного
распространения радиоволн. Под свободным распространением радиоволн будем понимать распространение радиоволн в атмосфере,
вдоль поверхности земли, в толще земли, в космическом пространстве. Из рассмотрения исключим передачу электромагнитных волн
по искусственным линиям связи — проводным линиям, волново-
– 31012 Гц, т.е. от единиц килогерц до тысяч
дам, световодам, полосковым линиям передачи и т.п.
Свободно распространяющиеся радиоволны находят в современной науке и технике обширное и многообразное применение.
Прежде всего отметим использование радиоволн для передачи разного рода информации (телеграфия, телефония, телевидение, радиовещание), определения координат объектов (радиолокация,
радионавигация), управления на расстоянии различными устройствами и механизмами (радио- и телеуправление). Свободно
распространяющиеся радиоволны широко используются в метеорологии при наблюдении за атмосферными образованиями (прогнозирование погоды), в геофизике, при изучении верхних слоев атмосферы, в радиоастрономии, при изучении строения планет, звезд,
туманностей, находящихся как в пределах нашей галактики, так и
вне ее.
Во всех перечисленных применениях общим является наличие
передающего устройства, среды, в которой распространяются радиоволны, и приемного устройства. Все вместе эти элементы образуют радиолинию (рис. 11.1).
В радиолиниях связующим элементом является природная среда, окружающая земной шар, например атмосфера и космическое
пространство, если радиолиния расположена между Землей и кос-
253
мическим аппаратом. На земных радиолиниях типа «земля-земля»
среда включает в себя атмосферу и поверхность Земли. Земная
атмосфера и поверхность Земли являются поглощающими, электрически неоднородными средами. Их проводимость и диэлектрическая проницаемость непостоянны и изменяются во времени и
пространстве, зависят от частоты распространяющихся волн.
Среда
Передающее
устройств о
Приемное
устройство
Рис. 11.1. Схематическое изображение радиолинии
В зависимости от частоты распространяющихся радиоволн
влияние одной и той же среды проявляется в большей или меньшей
степени. Резко выраженная зависимость законов распространения
радиоволн от их частоты приводит к необходимости разделить
радиоволны на диапазоны, в пределах которых условия распространения радиоволн примерно одинаковы. Сведения об этих диапазонах в соответствии с Регламентом радиосвязи, принятым
Международным консультативным комитетом по радио (МККР),
приведены в табл. 11.1.
Таблица 11.1
Распределение радиоволн по диапазонам
Номер
диапа-
зона
4 3–30 кГц Очень низкие
5 30–300 кГц Низкие частоты
6 300 кГц–
7 3–30 МГц Высокие часто-
Частота
3 МГц
Название
по частоте
частоты (ОНЧ)
(НЧ)
Средние частоты (СЧ)
ты (ВЧ)
254
Длина вол-
ны
100–10 км Сверхдлинные
10–1 км Длинные
1000–100 м Средние
100–10 м Короткие
Название по
длине волны
волны (СДВ)
волны (ДВ)
волны (СВ)
волны (КВ)
Окончание табл. 11.1
Номер
диапа-
зона
Частота
8 30–300
МГц
9 300 МГц–
3 ГГц
10 3–30 ГГц Сверхвысокие
11 30–300 ГГц Крайне высокие
12 300–3000
ГГЦ
Название
по частоте
Очень высокие
частоты (ОВЧ)
Ультравысокие
частоты (УВЧ)
частоты (СВЧ)
частоты (КВЧ)
Гипервысокие
частоты (ГВЧ)
Длина вол-
ны
Название по
длине волны
10–1 м Метровые
волны
100–10 см Дециметровые
волны
10–1 см Сантиметровые
волны
10–1 мм Миллиметро-
вые волны
1–0,1 мм Децимилли-
метровые
волны
Диапазоны 8–12 часто объединяют в один большой диапазон
ультракоротких волн (УКВ). В последние годы для радиосвязи
находят применение и волны оптического диапазона.
Их разделяют на инфракрасные (частоты 310
длины волн 10
–3
–7,510
длины волн 7,510
7,510
14
–1,510
17
Гц, длины волн 410–7–210–9 м).
–7
м), видимые (частоты 410
–7
–410–7 м), ультрафиолетовые (частоты
12
–410
14
–7,510
14
Гц,
14
Гц,
Диапазон радиоволн ограничен и представляет собой ресурс,
который, как и другие природные ресурсы, требует рационального
использования.
11.2 Некоторые сведения
из теории антенн
Свободное пространство представляет собой однородную изотропную непоглощающую среду, у которой относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости (
r
и
) равны единице.
r
Такой средой был бы идеальный вакуум. Реально к свободному
пространству можно отнести космическое пространство и в некоторых случаях на небольших расстояниях воздух, окружающий
255
Землю. Основой задачей дисциплины «Распространение радио-
L
волн» является определение напряженности электрического поля в
точке приема при заданных мощности передатчика или токе в антенне, частоте и параметрах трассы (расстояние, высота антенны
и т.п.). Решение этой задачи обычно представляют в виде формулы
для свободного пространства и множителя ослабления, учитывающего влияние реальных факторов.
Пусть в свободном пространстве расположена антенна, имеющая максимальный размер излучающей области L. В зависимости
от расстояния до точки наблюдения пространство вокруг антенны
может быть разделено на три области: ближнюю, промежуточную
и дальнюю. Поля в этих областях имеют различную структуру и
определяются по соответствующим формулам. Нас в дальнейшем
будет интересовать, как правило, дальняя область или зона Фраунгофера, поскольку этот случай обычно имеет место в реальных линиях радиосвязи. Область дальней зоны определяется соотношением
2
r
2
,
(11.1)
где — длина волны.
В дальней зоне электромагнитное поле, созданное антенной,
имеет характер электромагнитной волны со сферическим фазовым
фронтом и взаимно ортогональными векторами
и EH, ортого-
нальными и к направлению на антенну. В дальней зоне свободного
пространства векторы
и EH синфазны и их модули связаны со-
отношением
E
ZZ
m
H
m
0
0
120 377.
0
(11.2)
Величина Z имеет размерность сопротивления и называется
характеристическим (иногда волновым) сопротивлением свободного пространства.
Пусть в свободном пространстве вместо реальной антенны
расположена антенна, излучающая мощность Р равномерно во всех
256
направлениях. Такая воображаемая антенна называется изотропной.
P
D
F
На расстоянии r от нее величина вектора Пойнтинга (Вт/м
2
) будет
равна
П,
4Рr
где
2
4 r — поверхность сферы, проходящая через точку наблюде-
2
ния, с центром в точке расположения антенны.
Реальная антенна излучает ту же мощность неравномерно по
разным направлениям. За счет этого в направлении максимального
излучения вектор Пойнтинга увеличится в D раз:
РD
П.
4
(11.3)
2
r
Параметр D называется коэффициентом направленного действия (КНД) антенны и является одним из ее основных параметров.
В дальней зоне амплитуды полей Е и Н связаны со средним по
времени значением вектора Пойнтинга соотношением
1
П.
Е H
mm
2
Исключая из этого соотношения Н
с помощью формулы
m
(11.2), получим выражение для амплитуды напряженности электрического поля в дальней зоне антенны в свободном пространстве
60
D
E
m
.
(11.4)
r
Таким образом, использование направленных антенн позволяет
в
раз увеличить напряженность поля в направлении максимального излучения при той же излучаемой мощности. Напряженность поля в других направлениях определяется через диаграмму
направленности антенны ( , )
, где углы
и характеризуют
направление на точку наблюдения в сферической системе координат (
r,,):
60
(, ) (, ).
EF
(11.5)
m
PD
r
257
В некоторых случаях бывает задан не КНД, а коэффициент
D
усиления антенны
GD
, где — коэффициент полезного дей-
ствия (КПД) антенны. Для реальных антенн КПД определяется в
курсе антенн. В диапазоне УКВ его часто принимают равным единице.
Если в передающей антенне задана не излучаемая мощность, а
амплитуда входного тока
I
, то аналогом формулы (11.4) является
0
соотношение
60
Il
(, ) (, ),
где
l — действующая длина антенны.
д
EF
m
0д
r
(11.6)
Этот параметр легко определяется для вибраторных антенн, если известно распределение тока по длине антенны. Он связан с
КНД антенны соотношением
RD
l
д
120
(11.7)
,
где R
— сопротивление излучения антенны.
При энергетическом расчете линии связи представляет интерес
не сама напряженность поля в точке приема, а мощность в нагрузке
приемной антенны или электродвижущая сила (ЭДС) на ее выходе.
В теории антенн доказывается, что эти параметры определяются
соотношениями
,П,elEP S (11.8)
l
д
и
— действующая
S
эфф
где
e и
max
P — максимальные значения ЭДС на выходе прием-
нmax
max д н max эфф
ной антенны и мощности в ее нагрузке;
длина и эффективная поверхность приемной антенны, определяемая через ее КНД:
2
S
эфф
.
(11.9)
4
Формулы (11.8), (11.9) предполагают, что прием осуществляется в направлении максимума диаграммы направленности приемной
258
антенны, что она согласована с падающей волной по поляризации и
L
L
что ее КПД равен единице, а также что антенна согласована
с нагрузкой по сопротивлению (для Р
н max).
Из формул (11.3), (11.8) и (11.9) следует формула радиосвязи
в свободном пространстве
2
(11.10)
,
2
r
DD
PP
21
12
(4 )
где Р
— излучаемая мощность; D1, D2 — КНД передающей и прием-
Р
1
— максимальная мощность в нагрузке приемной антенны;
2
ной антенн соответственно.
Отношение
PP при D
021
= D2 = 1, т.е. при ненаправленных
1
(изотропных) антеннах, называют основными потерями радиолинии и обычно выражают в децибелах:
c
LL
0,дБ 0
10 lg 20lg ,
4
(11.11)
rf
Если измерять r в километрах, а f в мегагерцах, то получим
удобное для расчетов выражение:
0,дБ
33 20 lg lg .
rf
(11.12)
Измерение потерь в радиолинии в децибелах удобно, так как
абсолютное значение основных потерь может изменяться в больших пределах. Применение направленных антенн эквивалентно
увеличению мощности передатчика в D
раз или на (D
1D2
1,дБ
+ D
2,дБ
)
децибел.
11.3 Область пространства, существенная
при распространении радиоволн
При распространении радиоволн в свободном пространстве различные области пространства неодинаково влияют на формирование
поля на некотором расстоянии от излучателя. Область пространства,
в которой распространяется основная часть передаваемой мощности,
259
называют областью пространства, существенной при распростране-
P
P
нии радиоволн.
Очевидно, что эта область охватывает пространство вблизи
прямой, соединяющей точки расположения излучателя и приемной
антенны. Размеры и конфигурацию области, существенной при
распространении радиоволн, определяют исходя из принципа Гюйгенса.
Согласно принципу Гюйгенса каждая точка фронта распространяющейся волны является источником новой, вторичной, сферической волны. Полное поле определяется путем суммирования
элементарных полей, созданных вторичными источниками, которые находятся на некоторой поверхности, окружающей первичный
источник. Математическую формулировку принципа Гюйгенса дал
Кирхгоф в виде формулы, носящей его имя:
jkR jkR
jee
() ,
4
S
S
nR R n
S
dS
(11.13)
где ( )
— поле в точке наблюдения Р; S — замкнутая поверх-
ность, окружающая источник; n — внешняя нормаль к поверхности
S;
2k — волновое число;
— длина волны;
— поле на
S
поверхности S; R — расстояние от точки Р до точек поверхности S.
Формула Кирхгофа не учитывает векторный характер электромагнитного поля и поэтому является приближенной. Позднее были
получены векторные аналоги формулы Кирхгофа. Однако и в таком
виде она находит широкое применение, так как позволяет объяснить и рассчитать многие эффекты, связанные с распространением
радиоволн.
Построение, предложенное Френелем (рис. 11.2), позволяет
наглядно истолковать принцип Гюйгенса, определить размеры и
конфигурацию области, существенной для распространения радиоволн, не прибегая к вычислению интеграла в формуле (11.13).
Пусть в точке А помещен источник, а в точке В — приемная
антенна. Причем расстояние АВ много больше длины волны. Пусть
на некотором расстоянии от точки А помещена бесконечная плоскость S, перпендикулярная к линии АВ (см. рис. 11.2).
260
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]